浅谈红外热像检测技术在空客飞机维修中的应用

摘要：随着航空制造技术的不断发展，复合材料以其高的比强度、比刚度及良好的抗疲劳性和耐腐蚀性获得广泛的应用。现代飞机结构中常用的复合材料结构主要有纤维增强树脂层板结构(包括 CFRP 和 GFRP)和夹芯结构，正日趋用于飞机的缝翼、襟翼、方向舵、升降舵、雷达罩、舱门和客舱装饰板等构件。

除制造缺陷外，飞机复合材料结构件由于受载荷、振动、湿热酸碱、意外损伤等因素的综合作用会出现板 与板分层、板与蜂窝脱粘，蜂窝积水、蜂窝积冰、蜂窝塌陷等缺陷。从发展趋势来看，红外热像检测技术将会成为航空器无损检测的常规检测手段；从维修工作的实际效果来看，采用红外热像技术检测复合材料 蜂窝内部积水的方法效率高、结果准确。

1.原理及概况

1.1 物理原理

温度在绝对零度以上的物体均能产生电磁波，电磁波波长范围与物体的温度相对应。如图 1 所示为不同温度下黑体的光谱辐射量，图中波长与辐射量是与温度相关的函数关系。热辐射与其它形式的电磁波一 样，在物体表面时会发生反射、透射和吸收。

图 1 不同温度下黑体的光谱辐射量

1.2 检测原理

材料或结构中的缺陷，如复合材料或其结构件中的分层、脱粘、裂纹等，其导热特性与材料本身存在明显差异。当外界热激励时，缺陷的存在会影响热传导，导致表面温度分布异常或表面温度随时间的变化异常。

采用红外热像仪测量被检复合材料构件表面温度变化，通过一定的信号处理，甚至借助于参考试块， 获得其表面或内部缺陷的特征（包括缺陷的位置、大小及性质等）。一般来说，缺陷越大，越靠近被检表面，与基体材料的热性质差别越大，越容易被检测出来。

1.3 应用特点

红外热像检测是无损检测方法之一，具有直观、快速、无污染、一次检测面积大等优点，适用于复合材料构件的现场、快速检测，如航空器结构的原位检测。它用于飞机复合材料构件制造、修理过程中产生或使用中形成的近表面缺陷（如分层、脱粘、空洞、异物、积水等）的检测。

2.红外热像检测系统简介

红外检测按是否需要外部激励可分为主动红外检测和被动红外检测。主动式红外检测系统主要由红外 热像仪和热激励装置构成，对于特殊的热激励装置如调制辐射源等还有专用的控制单元，如果需要，可采用计算机分析软件对采集的数据进行分析处理以辅助判读；被动式红外检测系统不需要热激励装置。

红外热像仪的主要参数有显示屏尺寸及图像分辨率、空间分辨率、声等效温度差、测温范围等，在采购时应注意满足相关标准和手册的要求。

热激励方法很多，常见的热激励源有加热毯、红外灯、热空气源（如烘箱、电吹风等）、闪光灯、调制辐射源等。制冷也视为热激励的一种，典型的制冷源有冷气体、制冷机械、液氮、蒸发器等。

3.红外热像检测技术在空客飞机维修中的应用

与空客公司相比，波音公司更早地在 NDT 手册中规定了使用红外热像检测技术用于复合材料结构积水、积冰、金属板脱粘及飞机结构裂纹检查，但我们实际应用不多。

从 2007 年开始，空客公司陆续以 SB 服务通告和 NTM 手册的方式要求用户对空客各机型飞机方向舵、升降舵等复合材料结构件采用红外热像检测技术进行蜂窝积水检查，确保其满足安全运行要求。

我单位因涉及 A320 系列飞机及 A340 机群，也相继开展了此项工作，在这几年中，陆续检查了多机型数十架飞机，在此谈谈几点工作心得。

3.1.工作概述

空客公司规定按 NTM 55-20-07-PB10 要求进行升降舵积水检查，按照 NTM 51-10-25-PB10 要求进行方向舵积水检查，此两项工作需用红外热像方法进行检查，不能用其他方法代替。

检查升降舵积水时，热激励源可采用方法 A(烘箱)、方法 B（电热毯）或方法 C（冰箱）。

工卡规定三种方法可以互相替代，但由于方法 A 和方法 C 需要拆下升降舵放置在升降舵专用支持架上送入烘箱或冰箱中，同时使用烘箱或冰箱需要更多的空间放置且耗能巨大，故民航绝大部分开展此工作的维修企业均采用 方法 B 加热。

和上述两种方法相比，使用电热毯加热具有以下优点：可在飞机原位进行检测、投资小、耗能小、电热毯存放及移动方便快捷等；缺点是受面积影响，无法一次性加热整个升降舵以及由于需要检测升降舵上下面板，需要一定高度且需移动的工作梯。

检查方向舵积水时，若环境温度在 10˚C 和 35˚C 之间，采用电吹风作为热激励源（程序 A）；若环境 温度大于 35˚C，采用在被检表面施加薄水层的方式（程序 B）。

3.2 电热毯加热检查升降舵

按照 NTM 55-20-07-PB10 的要求进行检查准备、按电热毯顺序分步骤进行加热保温以及使用红外热像仪进行检测并得到正确的结果。需注意以下问题：

（1）被检升降舵面板表面应清洁干燥，特别是面板上的积液会大大影响检测结果；

（2）环境温度应保持在 10˚C 和 30˚ C 之间，否则会影响加热甚至无法完成加热过程，因此在严寒地区开展此项工作时需要合适温度的机库而炎热地区需要避开高温时段。同时为了保证在规定时间段加温的均匀，应尽量避免在大风室外环境下的加热工作；

（3）保持电热毯与升降舵蒙皮面板的良好接触，否则会使升降舵加热局部不均匀，影响成像质量和结果的判断，图 2 和图 3 分别显示接触良好和不良接触下电热毯的加热成像照片。因此需按厂家的要求存放并正确使用电热毯。

图 2 加热中的电热毯与蒙皮良好接触

图 3 加热中的电热毯与蒙皮不良接触

3.3 电吹风加热检查方向舵

（1）尽量保持电吹风与方向舵面板垂直且匀速移动加热，否则会造成方向舵加热局部不均匀，影响成像质量和结果的判断；

（2）通过调节电吹风的加热温度和出风口与方向舵面板的合适距离（150mm），尽量使被检面板表面温度大于环境温度 15˚C 左右，此温差能够得到较好的成像效果，同时为了避免高温损伤方向舵面板，使用接触式温度计测量被检面板确保表面温度不超过 55˚ C。

图 4 和图 5 分别显示加热不均匀（白色显示） 的面板成像和满足检测要求的面板成像。

图 4 加热不均匀的面板成像

图 5 满足检测要求的面板成像

3.4 被检表面施加薄水层加热检查方向舵

（1）水枪的气压为 5bar，水源必须清洁，水枪必须能在被检表面形成均匀细薄的水层，决不允许有明显的水滴沿被检面板表面流动；

（2）应从方向舵的最下方区域向上进行检查，这样可以避免水往下流的影响。

3.5 结果分析

（1）图 6 和图 7 为不同飞机相同区域的升降舵检查成像照片，其中（a）为正常区域，（b）为积水区 域（黑色显示）；

图 6 升降舵上面板显示

图 7 升降舵上面板显示（有肋区域）

（2）蜂窝结构中的胶可能会造成类似积水的虚假显示，可采用以下方法进行验证排除：

①通过查阅被检件修理记录和外形检查，排除修理填胶造成的虚假显示；

②对有显示区域，采用钻小孔后针筒吸水的方式进行验证；

③采用红外成像显示确定位置，X 射线确定是否积水的方式进行验证排除。

通过近几年的实际应用，红外热像检测技术已逐渐成为五大常规无损检测技术之外的一种常规技术应用于民航飞机维修中。

和国外同行业甚至国内其他行业相比虽然开展较晚且缺乏经验，相信随着复合材料在民用航空器上越来越广泛的应用以及各航空公司机群数量的增加，随着专业人员工作的积累，红外热像检测技术将会在民航维修复合材料及其构件的检测甚至更多的领域中得到广泛的发展。

本文作者：郑勇 （国航工程技术分公司成都维修基地）